CN103353114B - 一种组合式燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无焰燃烧组合式燃烧器，包括中央旋流喷嘴，其设置在炉膛顶部并通过出口端与其连通，进口端包括燃料进口端和氧化剂进口端，燃料和氧化剂分别通过对应的进口端进入中央旋流喷嘴并喷入炉膛内部；氧化剂喷嘴，均匀设置在炉膛顶部并与其连通，各氧化剂喷嘴以中央旋流喷嘴为中心呈环形均匀布置在其四周；切换管路，其包括第一支管和第二支管，两支管上分别设置有用于贯通和封闭管路的阀门，通过对阀门的切换控制，完成氧化剂从中央旋流喷嘴和/或氧化剂喷嘴喷入炉膛，实现中央旋流燃烧和/或无焰燃烧。本发明采用的组合燃烧器结构能同时实现炉膛的中央旋流燃烧和无焰燃烧等不同的燃烧方式，可提高炉膛对不同燃烧方式的调节能力。

Description

一种组合式燃烧器

技术领域

本发明涉及一种燃烧器，适用于电站燃煤、燃气锅炉和工业燃煤、燃气锅炉领域。

背景技术

提高化石燃料燃烧效率，降低燃烧过程中污染物排放一直是能源利用领域的重要研究方向。无焰燃烧是一种反应物被稀释后在低氧氛围下的空间分布式燃烧模式。无焰燃烧起源于Weinberg的超焓思想，由于高温循环烟气对反应物的稀释和预热，升高了反应物温度，降低了反应区的氧浓度，一旦反应物温度达到着火点便发生慢速氧化反应。大量的烟气循环为燃料提供了高温低氧环境，较大的喷射动量使燃烧室内各处反应物处于亚当量比条件，整个燃烧室类似一个良搅拌反应器，氧化反应发生在整个燃烧空间，并呈现透明的无火焰状态。整个反应区温度均匀，消除了局部高温，故降低了热力NOx的生成量。无焰燃烧作为一种新型的燃烧方式，同时具备了高燃烧效率和低污染物排放的特点，被誉为21世纪最具有发展前途的燃烧技术之一。

无焰燃烧器的开发和应用是实现无焰燃烧方式的关键技术，对于实现工业燃煤、燃气锅炉的无焰燃烧有重要作用。申请号为200510039296.9的中国专利申请公开了一种燃气或燃油锅炉，其在炉膛内部增设了燃烧搅拌反应器，实现了燃料在炉膛内部的无焰燃烧，还增设了蓄热体。中国专利申请200510022667.2公开了一种采用稀薄-无焰燃烧方式的燃气或燃油锅炉，其中通过增设预燃罩，在预燃罩内部实现稀薄燃烧，炉膛内发生二次燃烧，呈现无火焰状态。上述技术方案均在炉膛内增设罩体结构，以促进燃料、空气和燃烧产物的混合。美国专利US005899269A公开了一种采用无焰燃烧技术的燃烧室装置，该燃烧室内置套管，并使用催化剂，应用于气体燃料。

上述无焰燃烧装置普遍存在无焰燃烧时炉膛前期炉膛升温困难的缺陷，而且，通常均需要使用蓄热体或内置罩体等额外结构，甚至还需要设置搅拌反应器，部分还需要使用催化剂以及对燃料的特色要求，导致燃烧装置结构复杂，效率较低，适用领域受限。另外，对于具有多种燃烧需求的场合，往往单一燃烧器难以满足需求，通常都是配置多个燃烧器来实现多种燃烧需求，导致整体结构复杂，通用性不强。

发明内容

本发明的目的是提供一种组合式燃烧器，通过设置在炉膛顶部和位于其外围四周的氧化剂喷口喷出的氧化剂的切换控制，分别实现中央旋流燃烧或无焰燃烧，或者同时实现中央旋流燃烧和无焰燃烧，从而实现同时满足锅炉在中央旋流燃烧和无焰燃烧下的切换的组合式燃烧，解决目前无焰燃烧中存在的前期炉膛升温困难以及无法仅通过单一结构实现无焰燃烧的缺陷，同时可实现通用性的多种组合燃烧。

为解决上述技术问题所采用的具体技术方案为：

一种无焰燃烧组合式燃烧器，包括：

具有进口端和出口端的中央旋流喷嘴，其设置在炉膛顶部并通过所述出口端与其连通，所述进口端包括燃料进口端和氧化剂进口端，燃料和氧化剂可分别通过对应的进口端进入该中央旋流喷嘴并通过所述出口端喷入所述炉膛内部；

氧化剂喷嘴，其为均匀布置的多个，均设置在炉膛顶部并与其连通，各氧化剂喷嘴以所述中央旋流喷嘴为中心呈环形均匀布置在其四周，氧化剂通过该氧化剂喷嘴喷入炉膛内；

切换管路，用于输送氧化剂，其包括与所述中央旋流喷嘴的氧化剂进口端连通的第一支管和与所述各氧化剂喷嘴连通的第二支管，该第一支管和第二支管上分别设置有用于贯通和封闭管路的阀门，通过对所述阀门的切换控制，完成氧化剂从中央旋流喷嘴和/或氧化剂喷嘴喷入炉膛，实现中央旋流燃烧和/或无焰燃烧。

作为本发明的进一步优选，关闭第一支管上的阀门并同时打开第二支管上的阀门，所述氧化剂从该第一支管输入中央旋流喷嘴中并通过其出口端与从燃料进口端输入的燃烧同时喷入炉膛，实现中央旋流燃烧。

作为本发明的进一步优选，打开第一支管上的阀门并同时关闭第二支管上的阀门，所述氧化剂从第二支管输入各氧化剂喷嘴并同时喷入炉膛，同时从所述燃料进口端输入的燃料从所述中央旋流喷嘴喷入炉膛，从而实现无焰燃烧。

作为本发明的进一步优选，同时打开第一支管和第二支管上的阀门，所述氧化剂同时从中央旋流喷嘴和各氧化剂喷嘴喷入炉膛，同时从所述燃料进口端输入的燃料从所述中央旋流喷嘴喷入炉膛，从而实现中央旋流燃烧和无焰燃烧的组合燃烧。

作为本发明的进一步优选，所述中央旋流喷嘴包括与燃料进口端连通的燃料管，同轴套装在燃料管外周并与氧化剂进口端连通的氧化剂管，以及设置在燃料管的外壁并位于燃料管和氧化剂管之间的旋流叶片，氧化剂进入所述氧化剂管并通过该旋流叶片后与通过燃料管的燃气形成同轴射流同时喷入炉膛，混合燃烧后形成包络火焰。

作为本发明的进一步优选，所述燃料管的中心同轴套设有钝体杆，其包括杆体和设置在位于出口端一侧的杆体上的钝体，该钝体杆可在燃料管内轴向移动，以用于调节燃料出口速度，稳定火焰。

作为本发明的进一步优选，钝体的高度与圆形底部直径之比为黄金分割比，比值为0.618。

作为本发明的进一步优选，所述中央旋流喷嘴还包括与燃料进口端连通的燃料进气接头，与氧化剂进口连通的氧化剂进气接头，设置在燃料进气接头端面的挡板和密封垫圈。

作为本发明的进一步优选，所述氧化剂喷嘴为偶数个，中心对称分布于中央旋流喷嘴的四周。

本发明中，在中央旋流喷嘴设有燃料进气管，燃料进气管内设计有同轴实心杆，杆底部即燃料出口处设计有圆锥体结构稳流钝体与之相连。在燃料进气管外部设计有同轴氧化剂进气管，旋流叶片安置在燃料管外侧靠近出口处。氧化剂管顶部设计有氧化剂进气接头。

本发明中，切换管路分两路供氧化剂供应，一路直接连接于中央旋流喷嘴上的氧化剂进气接头上，另一路通过两个支路连接于分布在两侧的氧化剂喷嘴上，通过切换管路中阀门的开断，实现炉膛在常规中央旋流燃烧与无焰燃烧两种工况下工作。

本发明中，旋流燃烧器中，圆锥体结构钝体的高度与圆形底部直径之比为黄金分割比，钝体圆形底部的直径小于燃料管内径，保证钝体杆可以在燃料管内移动。

本发明中，旋流叶片的旋流角度范围为40°～50°，安置在燃料管的外壁，叶片长度与燃料管长度比值为0.075。叶片高度为氧化剂管内径与燃料管外径之差的一半。

本发明中，氧化剂进气接头与燃料管连接处为活连接，可调节燃料管与氧化剂管的轴向相对位置，从而形成在常规旋流燃烧下工质的预混和非预混两种燃烧方式。通过燃料管、实心杆和氧化剂杆之间的轴向相对移动可实现多种不同的燃烧方式组合。

本发明中，分布式氧化剂喷嘴数量可大于两个，一般为偶数个，对称分布于中央旋流喷嘴的四周。氧化剂喷嘴为圆管结构，喷嘴直径可根据工况调节。为实现无焰燃烧方式，氧化剂喷嘴出口射流速度要求大于40m/s，氧化剂的预热温度在200℃以上，分布式的氧化剂喷嘴轴线与中央燃烧器轴线的距离为燃料管内径的5～10倍。

本发明提出的无焰燃烧组合燃烧器，采用组合式喷嘴设计来实现燃料在中央旋流燃烧以及四周燃料与氧化剂分布式的燃烧。中央旋流燃烧工况下便于对于炉膛负荷调节，炉膛火焰观察，通过切换管路切换到分布式燃烧方式，在该燃烧方式下实现的无焰燃烧可获得高效低污染的燃烧条件，解决了无焰燃烧炉膛前期炉膛升温困难，增强了炉膛工况调节的灵活性。同时，通过使用该无焰燃烧器，炉膛无需使用蓄热体或内置罩体结构，无需使用催化剂。通过燃烧器本身的结构特点，实现炉内流场的强烈卷吸，达到无焰燃烧工况，且能实现气体、固体颗粒等不同燃料的无焰燃烧，对燃料种类有更强的适应性。

附图说明

图1为本发明实施例的无焰燃烧组合式燃烧器的结构示意图；

图2为图1中燃烧器的位置布置示意图；

图3为图1中的中央旋流喷嘴的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记代表同样的技术特征，其中，1为氧化剂进口，2为切换管路，3为一号阀门，4为2号阀门，5为分布式氧化剂进气喷嘴（无焰喷嘴），6为中央旋流喷嘴，7为燃料进气口，8为炉膛，9为钝体杆，10为燃料进气管，11为中央氧化剂进气管，12为燃料进气接头，13为氧化剂进气接头，14为燃料进气接头挡板，15为密封垫圈，16为钝体杆同轴固定挡圈，17为旋流叶片，18为钝体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

图1为本发明实施例的无焰燃烧组合式燃烧器的结构示意图。该组合燃烧器包括中央旋流喷嘴6，分布式氧化剂进气喷嘴5（无焰燃烧喷嘴），切换管路2。

中央旋流喷嘴6具有进口端和出口端，其设置在炉膛8顶部并通过出口端与其连通，进口端包括燃料进口端和氧化剂进口端，燃料和氧化剂可分别通过对应的进口端进入该中央旋流喷嘴6并通过出口端喷入炉膛8内部。

氧化剂喷嘴5为均匀布置的多个，均设置在炉膛8顶部并与其连通，各氧化剂喷嘴5以中央旋流喷嘴6为中心呈环形均匀布置在其四周，氧化剂通过该氧化剂喷嘴5喷入炉膛内。

切换管路2用于输送氧化剂，其包括与中央旋流喷嘴6的氧化剂进口端连通的第一支管和与各氧化剂喷嘴5连通的第二支管，该第一支管和第二支管上分别设置有用于贯通和封闭管路的阀门，通过对阀门的切换控制，完成氧化剂从中央旋流喷嘴和/或氧化剂喷嘴喷入炉膛，实现中央旋流燃烧和/或无焰燃烧。

预热炉膛时，为保证炉膛的稳定安全燃烧，采用中央旋流喷嘴6预热炉膛，此时切换管路2中，一号阀门3关断。二号阀门4打开，氧化剂通过氧化剂入口1经由切换管路2，通过二号阀门4后进入中央旋流燃烧器6，与从燃料进气口7进入的燃料一同喷入炉膛实现中央旋流燃烧。当炉膛温度上升到800℃以上后，将一号阀门3打开，二号阀门4关断，预热的氧化剂通过切换管路2经由一号阀门3进入分布式氧化剂进气喷嘴。此时燃料仍从中央旋流喷嘴6中喷出，而氧化剂从四周高速喷入炉膛，从而形成扩散燃烧方式，高速氧化剂射流卷吸炉膛尾部烟气，整个燃烧室在流场作用下，燃料氧化剂均匀扩散，从而形成无焰燃烧。

如图3所示，中央旋流喷嘴6包括：钝体杆9，燃料进气管10，中央氧化剂进气管11，燃料进气接头12，氧化剂进气接头13，燃料进气接头挡板14，密封垫圈15，钝体杆同轴固定挡圈16，旋流叶片17，钝体18。中央旋流喷嘴6采用同轴射流形式布置。中央管路为燃料进气管10，在燃料进气管10中，同轴布置有钝体杆，钝体杆9末端，靠近燃料进气管出口处，连接钝体18，圆锥体结构钝体18的高度与圆形底部直径之比优选为黄金分割比，即比值为0.618，此结果能达到稳定火焰，防止脱火的作用。

燃料进气管10外侧，同轴布置有氧化剂进气管11。旋流叶片17布置在燃料进气管10与氧化剂进气管11之间，靠近喷嘴出口处。旋流叶片的旋流角度范围优选为40°～50°，叶片长度与燃料管长度比值优选为0.075。叶片高度为氧化剂管11内径与燃料管10外径之差的一半。旋流叶片17可以使氧化剂射流进入炉膛与同轴的燃料射流混合燃烧后形成包络火焰，增强了燃烧器对氧化剂射流动量范围的适应性。

分布式氧化剂进气喷嘴5即无焰喷嘴分布在中央旋流喷嘴6四周，其分布方式优选为径向分布，见图2，分布式喷嘴的个数优选为偶数个，对称分布于中央旋流喷嘴的四周。无焰喷嘴为圆管结构，喷嘴直径可根据工况调节。为实现无焰燃烧方式，氧化剂喷嘴出口射流速度要求大于40m/s，氧化剂的预热温度在200℃以上，分布式的氧化剂喷嘴轴线与中央燃烧器轴线的距离优选为燃料管内径的5～10倍。此分布方式使氧化剂进入炉膛后，在高速射流的作用下，对炉膛形成强烈卷吸。在此高速射流卷吸作用下，整个燃烧室类似一个良搅拌反应器，氧化反应发生在整个燃烧空间，整个反应区温度均匀，消除了局部高温，并呈现透明的无火焰状态，达到无焰燃烧的效果，由于火焰锋面消失，炉膛内消除了局部高温区，降低了热力NOx的生成量。同时整个炉膛的辐射传热增强，提高了燃烧的热效率。

切换管路主要由氧化剂进气路的两个支路组成，一个支路与中央旋流喷嘴6连接，支路中安装有一号阀门3。另一个支路与分布式氧化剂进气喷嘴5连接，支路中安装有二号阀门4。切换管路的设计保证了燃烧工况从中央旋流燃烧到无焰燃烧工况切换过程的安全和稳定。

本实施例中的燃烧器的工作过程及作用如下：

当一号阀门3关断，二号阀门4打开时，氧化剂入口1的氧化剂直接进入中央旋流喷嘴6中，与燃料进气喷嘴7中进入的燃料形成同轴射流，一同进入炉膛8中燃烧，此时在中央旋流喷嘴6出口形成中央旋流火焰。

当一号阀门3打开，二号阀门4关断时，氧化剂入口1的氧化剂进入分布式氧化剂进气喷嘴5，即无焰燃烧喷嘴。燃料仍然从中央旋流喷嘴6的燃料进气口中进入炉膛。此时燃料和氧化剂分别进入炉膛，在炉膛内扩散混合燃烧，形成扩散火焰。当燃料和氧化剂的进气动量比达到一定比值时，炉膛内火焰锋面将消失，即为无焰燃烧方式。当一号阀门3，二号阀门4同时打开时，两种燃烧方式均存在，此时炉膛内将形成容积火焰。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无焰燃烧组合式燃烧器，包括：

具有进口端和出口端的中央旋流喷嘴(6)，其设置在炉膛(8)顶部并通过所述出口端与炉膛(8)连通，所述进口端包括燃料进口端和氧化剂进口端，燃料和氧化剂可分别通过对应的进口端进入该中央旋流喷嘴(6)并通过所述出口端喷入所述炉膛(8)内部；

其特征在于，还包括

氧化剂喷嘴(5)，其为均匀布置的多个，均设置在炉膛(8)顶部并与其连通，各氧化剂喷嘴(5)以所述中央旋流喷嘴(6)为中心呈环形均匀布置在其四周，氧化剂通过各氧化剂喷嘴(5)喷入炉膛(8)内；以及

切换管路(2)，用于输送氧化剂，其包括与所述中央旋流喷嘴(6)的氧化剂进口端连通的第一支管和与所述各氧化剂喷嘴(5)连通的第二支管，该第一支管和第二支管上分别设置有用于贯通和封闭管路的阀门(3，4)；

通过对所述第一支管和第二支管上的阀门(3，4)的启闭控制，完成氧化剂从中央旋流喷嘴(6)和/或氧化剂喷嘴(5)喷入炉膛(8)，从而实现中央旋流燃烧和/或无焰燃烧。

2.根据权利要求1所述的一种无焰燃烧组合式燃烧器，其特征在于，关闭所述第一支管上的阀门(3)并同时打开第二支管上的阀门(4)，所述氧化剂从该第一支管输入中央旋流喷嘴(6)中并通过其出口端与从燃料进口端输入的燃料同时喷入炉膛(8)，实现中央旋流燃烧。

3.根据权利要求1所述的一种无焰燃烧组合式燃烧器，其特征在于，打开第一支管上的阀门(3)并同时关闭第二支管上的阀门(4)，所述氧化剂从第二支管输入各氧化剂喷嘴(5)并同时喷入炉膛(8)，同时从所述燃料进口端输入的燃料从所述中央旋流喷嘴(6)喷入炉膛(8)，所述燃料和氧化剂均匀扩散，从而形成无焰燃烧。

4.根据权利要求1所述的一种无焰燃烧组合式燃烧器，其特征在于，同时打开第一支管和第二支管上的阀门(3，4)，所述氧化剂同时从中央旋流喷嘴(6)和各氧化剂喷嘴(5)喷入炉膛，同时从所述燃料进口端输入的燃料从所述中央旋流喷嘴(6)喷入炉膛(8)，从而实现中央旋流燃烧和无焰燃烧的组合燃烧。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种无焰燃烧组合式燃烧器，其特征在于，所述中央旋流喷嘴(6)包括与燃料进口端连通的燃料管(10)，同轴套装在燃料管(10)外周并与氧化剂进口端连通的氧化剂管(11)，以及设置在燃料管(10)的外壁并位于燃料管(10)和氧化剂管(11)之间的旋流叶片(17)，氧化剂进入所述氧化剂管(11)并通过该旋流叶片(17)后与通过燃料管(10)的燃气形成同轴射流同时喷入炉膛(8)，混合燃烧后形成包络火焰。

6.根据权利要求5所述的一种无焰燃烧组合式燃烧器，其特征在于，所述燃料管(10)的中心同轴套设有钝体杆(9)，其包括杆体和设置在位于出口端一侧的杆体上的钝体(18)，该钝体杆可在燃料管(10)内轴向移动，以用于调节燃料出口速度，稳定火焰。

7.根据权利要求6所述的一种无焰燃烧组合式燃烧器，其特征在于，所述钝体(18)的高度与其圆形底部直径之比为黄金分割比，比值为0.618。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的一种无焰燃烧组合式燃烧器，其特征在于，所述中央旋流喷嘴(6)还包括与燃料进口端连通的燃料进气接头(12)，与氧化剂进口连通的氧化剂进气接头(13)，以及设置在所述燃料进气接头(12)端面的挡板(14)和密封垫圈(15)。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的一种无焰燃烧组合式燃烧器，其特征在于，所述氧化剂喷嘴(5)为偶数个，中心对称分布于中央旋流喷嘴(6)的四周。

10.根据权利要求5所述的一种无焰燃烧组合式燃烧器，其特征在于，所述各氧化剂喷嘴(5)形成的环形半径为燃料管(10)内径的5～10倍。